潘建偉：量子世界的領跑者

文｜吳長鋒

潘建偉：量子世界的領跑者

文｜吳長鋒

2003年5月20日，科學家潘建偉在奧地利維也納實驗站演示量子糾纏態遠距離分送

潘建偉團隊實現了“測量器件無關的”量子通信，從而解決了單光子探測系統易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現實量子密鑰分發系統的安全性。該成果被美國物理學會《物理》雜志評選為年度國際物理學重大進展。

前不久，中國科學技術大學潘建偉教授的研究小組，采用光子級聯編碼的方式，實現了對于任意噪聲都具有高容錯率的薛定諤貓態，朝著實現大尺度量子網絡乃至宏觀糾纏態邁出了重要一步。

2001年，1970年出生的潘建偉建立了中國第一個光量子操縱實驗室；2003年，他提出了量子衛星計劃，那時他才30歲出頭；2011年，41歲的潘建偉成為當時最年輕的中科院院士。1997年以來，他和他的團隊在《自然》及《自然》子刊、《美國國家科學院院刊》、《物理評論快報》等國際權威學術期刊上發表學術論文90余篇，被引用1萬余次。

量子世界如此令人著迷

潘建偉選擇學習物理，完全出于興趣愛好。1987年高考時候，他本有機會被保送到浙江大學讀當時的熱門專業。“如果接受保送，可能就無法繼續我的物理夢了。”那年潘建偉考入中國科技大學近代物理系。

“牛頓力學將一切歸結為機械運動，既然一切都已注定，那人活著還有什么意義呢？量子理論以鬼魅般的陣列運行、以實物的形式到達和離開，這太神奇了！從此發現一切變得自然而有意義。”潘建偉說，“量子力學是一種積極向上的科學，令人著迷，又催人奮進。如果一個人是處在‘成功’和‘失敗’的‘迭加態’上，那么個人奮斗會使得他朝著成功幾率較大的狀態演化。”

1996年，在中國科技大學獲得理論物理碩士學位后，潘建偉投身奧地利維也納大學蔡林格教授門下攻讀博士學位。彼時，導師正組織量子信息實驗研究方面第一個國際合作項目。此前，量子信息一直處在理論研究階段，還沒有實驗支撐。

而潘建偉腦子里也正醞釀著一個實驗方案。一個月后，他覺得方案成熟了，便興奮地向研究小組里報告他的設想。然而，報告結束后全組沒一個人說話。好半天，蔡林格教授問：“潘，你不知道這就是量子態隱形傳輸的理論方案嗎？你不知道我們另一個小組正在做這個實驗嗎？”

潘建偉確實不知道，但他認為這是上天的眷顧。他堅定地對導師說：“我要加入這個實驗！”

1997年，題為“實驗量子隱形傳態”的研究論文在《自然》雜志上發表。該成果被公認為量子信息實驗領域的開山之作，被歐洲物理學會和美國物理學會評為世界物理學年度重大進展，被美國《科學》雜志評為年度全球十大科技進展，還被《自然》雜志選為“百年物理學21篇經典論文”之一，而作為論文的第二作者潘建偉，這一年剛剛27歲。

把別人的看家本領學到手

2001年，潘建偉回到中國科大工作。當時無論是研究水平還是人才儲備方面，國內的基礎都很薄弱。

潘建偉在與他的同學楊濤教授一道組織科研隊伍、開展實驗室建設的同時，還繼續在維也納大學從事多光子糾纏方面的合作研究。國內研究組成果出得很快，僅2003年一年，作為第一單位發表在《物理評論快報》的論文就有7篇。

2004年，潘建偉研究組在國際上首次實現五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸。《自然》雜志發表了這一成果并稱贊說，盡管五粒子糾纏的實現非常困難，但是中國科學技術大學的潘建偉教授和他的同事們完成了這一壯舉。這種新穎的量子態隱形傳輸是量子糾錯和分布式量子信息處理所需要的關鍵技術。這一成果同時入選歐洲物理學會和美國物理學會評選出的年度國際物理學重大進展。這對中國科學家來說是第一次。

“很自豪！這表明國內研究組在量子糾纏方面的工作已經成功躍居國際領先水平。”潘建偉說，“我可以離開維也納了。”

此后，潘建偉以瑪麗·居里講席教授的身份到德國海德堡大學從事量子存儲的合作研究。潘建偉說：“海德堡大學的冷原子研究處于國際領先地位，我們必須把別人的看家本領學到手。”

幾年下來，潘建偉團隊在冷原子量子存儲方面形成了豐富的人才和技術積累，取得了一系列國際領先的研究成果。2008年，《自然》雜志發表了潘建偉和他的同事完成的題為“量子中繼器實驗實現”的研究成果。《自然》雜志稱贊該工作“掃除了量子通信中的一大絆腳石”。

打造國際一流科研團隊

回國后，潘建偉致力于將不同學科背景的年輕人送出國門，到德國、英國、美國、瑞士、奧地利等量子信息研究的優秀國際小組加以鍛煉。這些被“放飛”國外多年的年輕人，如同風箏收線一般，悉數回國，使中國科技大學團隊得到了空前的壯大。

“我們已經是一個有國際影響力的團隊，他們在這里大有用武之地。”潘建偉領導的中國科大合肥微尺度物質科學國家實驗室量子物理與量子信息研究部可謂人才濟濟，光是“青年千人計劃”教授、“百人計劃”教授就有十來個。

潘建偉帶領研究團隊取得了多個令人驚羨的“第一”：實驗實現了16公里自由空間量子態隱形傳輸，創造了當時量子態隱形傳輸距離的世界紀錄，證明了基于自由空間進行遠距離量子通信的可行性；在國際上首次實驗實現了八光子薛定諤貓態，刷新了由潘建偉團隊保持的多光子糾纏態制備的世界紀錄；利用八光子糾纏態，在國際上首次實驗實現了拓撲量子糾錯，是量子信息領域以中國為第一單位發表在《自然》雜志上的首篇長文，被審稿人稱為“一個艱苦卓絕的英雄主義的量子光學實驗”；在國際上首次實驗實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發，通過地基實驗證明了實現基于量子衛星的全球量子通信網絡和開展大尺度基本物理問題實驗檢驗的可行性，《自然》審稿人稱為“另一個英雄的實驗工作”。“在光量子糾纏操縱和量子通信方面，我們走到了領跑的位置。”潘建偉說。

2012年8月，潘建偉被國際量子通信、測量與計算學會授予2012年度國際量子通信獎，表彰其“在量子通信和多光子糾纏操縱方面的先驅性貢獻”。他是獲得這一榮譽的首位華人物理學家。

2013年10月30日，何梁何利基金在北京舉行2013年度頒獎典禮，潘建偉（左）摘得本年度何梁何利最高獎—“科學與技術成就獎”

讓量子世界造福人間

量子通信技術應用基礎研究和應用研究關乎國家信息安全戰略。2009年4月，潘建偉團隊在合肥市建立了世界上首個多節點的全通型光量子電話網，并在60周年國慶閱兵期間為天安門城樓、中南海等關鍵地點之間構建了“量子通信熱線”，用于重要信息傳送保障。

2012年，潘建偉團隊完成了包括幾十個節點的合肥城區量子通信網絡示范工程，規模遠遠超過國際上已有的量子通信網絡，并在合肥市得以應用，標志著大容量的量子通信網絡技術已經取得關鍵性突破。同年，該團隊與新華社合作建設的“金融信息量子通信驗證網”開通，在世界上首次實現了利用量子通信網絡對金融信息的安全傳輸。同年11月，該團隊研制的“基于量子通信的高安全通信保障系統”投入運行，為“十八大”等國家重要政治活動提供信息安全保障。

2013年，潘建偉團隊實現了“測量器件無關的”量子通信，從而解決了單光子探測系統易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現實量子密鑰分發系統的安全性。該成果被美國物理學會《物理》雜志評選為年度國際物理學重大進展。

在國家發改委的支持下，中科院聯合相關部門啟動了千公里光纖量子通信骨干網工程“京滬干線”項目，潘建偉出任該項目首席科學家。2016年前后，將建成連接北京、上海的高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網絡。

“量子保密通信在城域網上的使用已經基本成熟，快則兩三年，慢則三五年，就可以推廣。”潘建偉團隊牽頭組織了“量子科學實驗衛星”中科院戰略性先導科技專項，預計在2015年到2016年間發射衛星。《自然》雜志新聞特稿中這樣寫道，中國將領先歐洲和北美，發射一顆量子科學實驗衛星。這將為物理學家提供一個測試量子理論基礎以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對論的全新平臺。